安徽巢湖—含山地區(qū)頁巖氣二維地震勘探研究

殷啟春，鄭紅軍，蒲可瑜，李鳳霞

(1 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心, 江蘇南京 210016；2東方地球物理公司華北物探處， 河北任丘 062520； 3東方地球物理公司大港分院， 天津大港 300280 )

0 引言

在中國地質(zhì)調(diào)查局南方頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工程及下?lián)P子地區(qū)頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查評價[1]基礎(chǔ)上，為加快皖江地區(qū)頁巖氣資源勘查開發(fā)工作，優(yōu)選巢湖—含山地區(qū)為頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)。為了基本查明該區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖賦存狀態(tài)和深部構(gòu)造形態(tài)，從而為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井設(shè)計提供依據(jù)，決定在巢湖—含山地區(qū)實施頁巖氣二維地震勘探。

1 工區(qū)概況

巢湖—含山地區(qū)位于下?lián)P子陸塊西北部（圖1），受滁河斷裂帶和長江斷裂帶控制，照明山斷裂從工區(qū)東南角穿過[2]。本區(qū)周邊由于受印支期陸陸碰撞造山運(yùn)動的影響，普遍遭受強(qiáng)烈擠壓，形成一系列推覆構(gòu)造。大致以巢湖為界，其南西段巢湖—廬江一帶受后期火山作用破壞嚴(yán)重，褶皺多不完整，而北東段巢湖—含山一帶構(gòu)造形態(tài)保存較好。該構(gòu)造帶呈北東向延伸，由一系列較緊閉的背斜和相對寬緩的向斜組成。這些寬緩向斜區(qū)內(nèi)古生代海相沉積地層多保存完好，具有一定的頁巖氣勘探潛力。

圖1 工作區(qū)大地構(gòu)造位置（據(jù)1/50萬地質(zhì)圖修編）Figure 1. Geotectonic location of the working area (modified after 1/500000 geological map)

區(qū)內(nèi)下古生界地層出露較為齊全，包括了志留系、奧陶系和寒武系，自下而上包括了早寒武世幕府山組、中寒武世炮臺山和晚寒武世觀音臺組，早奧陶世侖山組、紅花園組、大灣組、牯牛潭組，中奧陶世廟坡組、寶塔組，晚奧陶世湯頭組、五峰組，早志留世高家邊組、中志留世墳頭組，巖性主要以灰?guī)r、白云巖、粉砂巖和泥頁巖為主。黑色頁巖主要發(fā)育層位為早志留世高家邊組和晚奧陶世五峰組。高家邊組在區(qū)內(nèi)出露廣泛，呈北東向展布，主要出露于陶廠—石楊一帶。五峰組頂部與高家邊組底部過渡段為灰黑色碳質(zhì)泥頁巖、硅質(zhì)泥巖，為一套極具生烴潛力的烴源巖。

2 勘探難點

在頁巖氣的勘探開發(fā)過程中,地震技術(shù)發(fā)揮著在常規(guī)油氣勘探開發(fā)中完全不同的作用,在頁巖地層識別、儲層含氣性預(yù)測和確定頁巖氣儲層甜點中應(yīng)用廣泛，可以為頁巖氣鉆井部署乃至后期的儲層壓裂改造部署提供重要技術(shù)支撐[3～5]。本區(qū)地震勘探工作進(jìn)行了多輪采集處理攻關(guān)，海相中古生界碳酸鹽巖地層頂界面—印支面及其以上的較新地層反射強(qiáng)，特征明顯，但印支面以下特別是下古生界的勘探效果一直以來效果不佳，這是由南方海相地層特別是“下組合”的復(fù)雜地震地質(zhì)條件所導(dǎo)致，給資料的采集和處理造成較大困難[6～9]。

2.1 采集難點

（1）表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，對激發(fā)參數(shù)設(shè)計提出了較高要求、靜校正問題突出地表障礙物如軍事管理區(qū)、高速路、村莊、河流堤壩、魚塘等障礙物較多，炮檢點布設(shè)困難，降低了資料的有效覆蓋次數(shù)。

激發(fā)區(qū)巖性變化大，地表出露地層年代跨度大，巖性復(fù)雜多變，單炮穩(wěn)定性差。

（2）復(fù)雜的深層地震地質(zhì)條件導(dǎo)致觀測系統(tǒng)設(shè)計難度大。

勘探主要目標(biāo)地層高家邊組厚度最大可達(dá)1500m以上，其中高家邊組上段巖性與墳頭組下段差異不大。在經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動后，造成地層缺失、重復(fù)、條塊狀分割。志留系與奧陶系界面上下均為泥巖，該界面上下波阻抗差異小，不能形成連續(xù)性好、能量強(qiáng)的反射波組。

本區(qū)逆掩推覆、滑脫構(gòu)造發(fā)育，滑脫面對于激發(fā)能量的下傳具有較大大的屏蔽作用，當(dāng)上覆地層為高速度地層時尤為明顯。深部褶皺斷裂發(fā)育，地層傾角大，需做好構(gòu)造模型及反演模擬，著重做好變觀措施[10]。

2.2 處理難點

（1）原始資料信噪比非常低，保真去噪提高信噪比處理難度大。

（2）工區(qū)地表與淺地表環(huán)境復(fù)雜，靜校正處理難度大。

（3）由于地表激發(fā)巖性的變化，地震子波橫向變化大，因此有效消除接收、激發(fā)因素引起的信號差異難度大。

（4）工區(qū)地下構(gòu)造復(fù)雜，提高成像精度難度大。

3 技術(shù)方法與對策

3.1 地震數(shù)據(jù)采集

3.1.1 激發(fā)接收

我們將本區(qū)近地表類型分為兩類：

（1）農(nóng)田及平緩丘陵區(qū)：地表風(fēng)化層埋深3～7m，其下普遍存在山前沖積泥夾砂層、流沙層、礫石、卵石層及下伏老地層。

（2）山地區(qū)：0～2m為表層風(fēng)化堆積物(黏土夾礫石)，部分老地層出露。

從野外采集資料品質(zhì)分析，山地區(qū)資料的頻帶較寬、信噪比較低；農(nóng)田區(qū)資料的頻帶較寬，但低頻成分較重，信噪比較高；第四系松散碎屑沉積和河道砂、山前沖積土礫混合物，激發(fā)接收條件差，地震波能量和頻率吸收衰減快。

針對工區(qū)的不同近地表類型，首先進(jìn)行了表層調(diào)查，包括隨鉆巖性錄井和微測井；然后開展激發(fā)因素實驗。通過分析井深、激發(fā)藥量和淺井組合實驗地震記錄進(jìn)行能量、頻率、信噪比定量分析，得出適合本工區(qū)的激發(fā)參數(shù)為：

（1）農(nóng)田區(qū)：高速頂下7m激發(fā)，藥量4kg。

（2）山地區(qū)：灰?guī)r區(qū)采用單井井深18m，泥巖區(qū)采用單井井深12m，藥量6kg。

3.1.2 觀測系統(tǒng)

通過建立適合工區(qū)地質(zhì)情況的地球物理模型，對地震波的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征進(jìn)行正演模擬，是指導(dǎo)地震采集觀測系統(tǒng)設(shè)計的有效手段[11]。

觀測方式：前人研究表明，下?lián)P子復(fù)雜構(gòu)造區(qū)采用寬線采集可以大幅提高資料信噪比、改善成像效果[12～13]。通過對比單線、寬線不同觀測方式的疊加剖面，在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，寬線觀測比單線觀測的疊加剖面信噪比高。寬線二維主要有三個方面的優(yōu)勢：

（1）炮、檢點布設(shè)更加靈活，特別是有利于激發(fā)點的優(yōu)選，從而達(dá)到改善單炮激發(fā)效果、提高單炮資料信噪比的目的。

（2）與常規(guī)二維觀測方式相比，具有相對較寬的炮-檢方位角分布，從而更有利于側(cè)面波、方向性噪音和地表散射等干擾波的壓制，進(jìn)而突出有效反射信號的能量。

（3）通過橫向面元合并，大幅度提高了疊加剖面的覆蓋次數(shù)，特別是主要目的層的有效覆蓋次數(shù)，改善了疊加剖面的成像效果。

排列長度：本區(qū)發(fā)育逆掩推覆構(gòu)造，逆掩推覆構(gòu)造的高速層對于激發(fā)能量的下傳具有巨大的屏蔽作用，造成了推覆構(gòu)造下目的層界面的照明強(qiáng)度非常低。首先參考周邊皖江地區(qū)地震勘探成果[14]，建立二維地質(zhì)-地球物理模型，對模型應(yīng)用波動方程進(jìn)行正演模擬，通過在逆掩推覆構(gòu)造內(nèi)外不同部位進(jìn)行激發(fā)點激發(fā)照明，分析逆掩推覆構(gòu)造對于激發(fā)能量以及地震波傳播的影響。不同排列長度的照明分析結(jié)果表明：在逆掩推覆構(gòu)造區(qū)采用激發(fā)點加密和增加接收排列的變觀方式可以提高深層照射能量，本區(qū)觀測系統(tǒng)宜采取長排列進(jìn)行接收。

最大炮檢距設(shè)計：根據(jù)SY/T5314-2011《陸上石油地震勘探資料采集技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，最大炮檢距的選擇要考慮目的層埋深、速度分析精度、動校拉伸、反射系數(shù)穩(wěn)定等因素的影響。從不同炮檢距的速度譜分析結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)最大炮檢距大于4390m時，速度譜能量團(tuán)收斂，速度分析精度高。從考慮反射系數(shù)穩(wěn)定的角度看，最深目的層寒武系反射層的最大炮檢距小于6000m較為適宜。從地質(zhì)模型不同位置射線追蹤結(jié)果看，有效“地震時窗”范圍要求最大炮檢距3700～7000m。再綜合考慮疊前偏移需要、照明分析結(jié)果，最終采用最大炮檢距為4800m左右。

道距設(shè)計：CMP線元邊長是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，它的大小直接影響地震剖面的分辨率及信噪比。根據(jù)需要保護(hù)的最高頻率，結(jié)合本區(qū)地球物理模型，計算出各主要目的層對應(yīng)的線元小于23m即道距小于46m為宜。分析類似地區(qū)老資料不同道距接收記錄的疊加剖面：以20m小道距進(jìn)行資料采集，室內(nèi)抽取20m、40m、60m道距記錄進(jìn)行疊加處理，對比出不同道距采集在淺層資料的連續(xù)性、信噪比、層間反射信息豐富性等方面均存在一定差異，小道距采集疊加剖面品質(zhì)較好，反射同相軸清晰且連續(xù)，20m道距施工能取得更多的橫向連續(xù)反射數(shù)據(jù)，對改善復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的低信噪比資料有利。以往成功經(jīng)驗也表明，采用20m道距，能夠滿足本區(qū)勘探要求。

覆蓋次數(shù)設(shè)計：覆蓋次數(shù)的選擇應(yīng)能充分壓制干擾、增加目的層的反射能量，從而提高資料的信噪比，拓寬優(yōu)勢頻率。對比皖江地質(zhì)模型80次、120次、160次覆蓋照明效果，最終選擇覆蓋次數(shù)150次以上。

3.2 資料處理

根據(jù)本次勘探的地質(zhì)任務(wù)和要求，結(jié)合該區(qū)資料特點，處理方案分別采用了現(xiàn)場處理和室內(nèi)處理。

3.2.1 現(xiàn)場處理

為保證淺、中、深目的層地震反射波組質(zhì)量，利用現(xiàn)場監(jiān)控處理系統(tǒng)對全區(qū)采集資料質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控分析，每炮做動校正，當(dāng)天完成剖面疊加工作，結(jié)合地質(zhì)情況，分析采集效果，指導(dǎo)野外施工。

3.2.2 室內(nèi)處理

根據(jù)本區(qū)地震資料特點，以保真保幅以及提高主要目的層的成像精度為目標(biāo)，綜合應(yīng)用菲涅帶層析反演靜校正技術(shù)、保真疊前去噪技術(shù)、子波一致性處理技術(shù)、分頻迭代剩余靜校正技術(shù)、疊前時間偏移技術(shù)等，解決突出的靜校正、信噪比和成像問題，最大程度地滿足地質(zhì)研究的需要，采用GeoEast地震數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)處理（圖2）。處理過程中少做或盡可能不做修飾性處理，使獲得的地震資料真實地反映客觀實際情況。處理流程包括：數(shù)據(jù)解編→觀測系統(tǒng)定義→菲涅帶層析反演靜校正→疊前噪音衰減（炮域）→球面擴(kuò)散補(bǔ)償→地表一致性振幅補(bǔ)償→疊前噪音衰減（檢波點域）→地表一致性反褶積→速度分析→靜校正→速度分析（迭代）→地表一致性剩余靜校正→剩余振幅補(bǔ)償→多次波衰減（CDP域）→疊前時間偏移建模→疊前時間偏移→疊后提高信噪比→疊后提高分辨率，其中主要環(huán)節(jié)詳情如下：

（1）靜校正 ?；凇跋冉鉀Q長波長問題后解決短波長問題，先應(yīng)用高頻分量后應(yīng)用低頻分量”的原則[15]，通過對比常用的高程靜校正、模型靜校正、折射靜校正和層析靜校正的基本理論和使用條件，認(rèn)為基于初至?xí)r間的層析靜校正方法能較好的解決復(fù)雜地表區(qū)由于地形和低速帶變化引起的長波靜校正問題；短波長靜校正方法采用地表一致性剩余靜校正。該技術(shù)組合有效消除了原始記錄因地形、低速帶和近地表的不一致性引起的靜校正問題，波組特征得到明顯改善，有利于地層的成像。

（2）疊前去噪。由于受野外采集環(huán)境的影響，原始記錄上干擾噪音類型較多。處理時，針對噪音的不同特點進(jìn)行了多項試驗，選擇有效的保真去噪方法組合。包括利用自適應(yīng)面波壓制技術(shù)對面波進(jìn)行有效壓制；利用疊前線性干擾濾波技術(shù)對原始單炮中淺層折射和線性干擾進(jìn)行有效的衰減；利用分頻壓噪技術(shù)“多道識別，單道壓噪”壓制局部振幅異常噪音。以上方法組合在最大限度保護(hù)有效信息的前提下，消除記錄上發(fā)育的面波、線性噪音和異常振幅等干擾波，有效提高了資料的信噪比。

（3）能量調(diào)整。地震波在傳播過程中隨著時間的增加振幅能量逐漸衰減，加之激發(fā)、接收條件的變化，導(dǎo)致反射能量在時間和空間方向上的差異增大，這種變化要遠(yuǎn)大于地質(zhì)和油氣因素引起的儲層信息變化[16]。由于本地區(qū)地表和地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，在處理中，采用了最常用的球面擴(kuò)散補(bǔ)償和地表一致性振幅補(bǔ)償串聯(lián)的方法對反射能量進(jìn)行合理的調(diào)整，使得地震記錄在空間上達(dá)到能量均衡，取得了比較滿意的效果。

（4）速度分析。速度分析是資料處理最重要的環(huán)節(jié)之一，在地表及地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū),計算效率、提高速度分析精度和消除淺層速度異常影響等是偏移速度分析方法研究的關(guān)鍵[17]。本區(qū)地下構(gòu)造跨度大，地層速度橫向變化大，求準(zhǔn)偏移疊加的成像速度，提高成像精度也是本區(qū)資料處理的一個難點問題。地震數(shù)據(jù)交互速度分析是地震數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過交互速度分析,可以從地震數(shù)據(jù)中提取地下介質(zhì)的速度信息。本次工作利用GeoEast軟件系統(tǒng)的交互各向異性速度分析軟件模塊[18]，主要采用沿層交互速度分析技術(shù)，采取了由粗到細(xì)，由細(xì)到精循環(huán)迭代的思路，運(yùn)用交互速度分析的疊加速度道集和疊加剖面進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，反復(fù)修改、優(yōu)化速度場。同時加強(qiáng)與地質(zhì)解釋的溝通，利用地質(zhì)變化規(guī)律指導(dǎo)速度分析，確保速度提取準(zhǔn)確、橫向上符合地質(zhì)規(guī)律（圖2）。

圖2 速度剖面與偏移剖面Figure 2. Velocity profile and migration profile

（5）偏移處理。工區(qū)實際的地下地質(zhì)情況比較復(fù)雜，橫向速度變化大。如大斷層的兩邊速度變化、陡傾角的構(gòu)造等，在這種條件下，只有進(jìn)行時間域或深度域的全偏移處理，大斷層或潛山面才能比較準(zhǔn)確地成像[19]。通過前面速度分析結(jié)果，本次偏移處理選用了克?；舴虔B前時間偏移技術(shù)，它是基于最小平方的射線追蹤算法的疊前時間偏移技術(shù)，求取合適的最終疊前時間偏移速度場。最終速度模型與本區(qū)地層、構(gòu)造趨勢一致，剖面成像效果好。

3.3 資料解釋

3.3.1 地層解釋

解釋地震地質(zhì)層位的標(biāo)定是地震資料解釋的基礎(chǔ)。根據(jù)在工區(qū)北部實施的鉆穿志留系底部的A井標(biāo)定，地震剖面中上部第一個強(qiáng)振幅同相軸連續(xù)波組，為本次工作主要目標(biāo)層高家邊組底部及五峰組優(yōu)質(zhì)頁巖與下部奧陶系灰?guī)r、白云巖的巖性界面。然后根據(jù)區(qū)域地層出露厚度和速度推算，其下部2個強(qiáng)振幅波組分別為奧陶系和寒武系底界。在確定區(qū)內(nèi)主要目的層高家邊組底部頁巖頂界面、奧陶系底界面及寒武系底界面波組特征后，對區(qū)內(nèi)相應(yīng)層位進(jìn)行解釋。

3.3.2 構(gòu)造解釋

本區(qū)中、古生界海相地層沉積以來主要經(jīng)歷了三期不同性質(zhì)的改造變形[20～21]，在疊加地震剖面上（圖3）均有良好的反映。

（1）在中三疊—早、中侏羅世的印支運(yùn)動晚期—燕山運(yùn)動早期的擠壓應(yīng)力場形成的北東向逆沖推覆，塑造了本區(qū)以北東向褶皺為主的基本構(gòu)造格局，在地震剖面上高家邊組下部呈一系列褶皺構(gòu)造，且具有南強(qiáng)北弱的特征。

圖3 L2測線地質(zhì)解釋成果Figure 3. Geological interpretation results of survey line L2

（2）在晚侏羅—早白堊世的燕山運(yùn)動中晚期，疊加了以郯廬斷裂帶為代表的NNE向大陸走滑構(gòu)造的左行簡單剪切，以及拉分?jǐn)嘞輼?gòu)造作用的改造變形。在地震剖面上左半部一負(fù)花狀構(gòu)造即為該期構(gòu)造活動的反映。在工區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖上表現(xiàn)為構(gòu)成勘探區(qū)北西、南東區(qū)域邊界；此類斷層具有拉張性，且切穿地表，不利于頁巖氣游離氣的保存。

（3）在晚白堊世—古近紀(jì)的喜馬拉雅喜山運(yùn)動期，本區(qū)在由南向北的伸展拆離與多米諾式拉張斷陷構(gòu)造，在地震剖面上則表現(xiàn)為一系列的拉張性小型斷層。在區(qū)域地質(zhì)圖上表現(xiàn)為本區(qū)南東部的無為盆地。

以上三期構(gòu)造變形作用不僅使巢湖—含山地區(qū)海相地層發(fā)生強(qiáng)烈形變、縮短、抬升和剝蝕，塑造了構(gòu)造基本格局，也是海相油氣早期聚集、晚期熱演化和再分配的重要因素[22]。

4 地質(zhì)成果

本次地震勘探在充分認(rèn)識區(qū)域地質(zhì)條件的情況下，制訂了較為合適的采集、處理、解釋方案，所獲取的地震資料單炮品質(zhì)總體較高，疊后剖面對地

層和構(gòu)造有高分辨率的刻畫，較好的滿足了目標(biāo)層和構(gòu)造解釋要求。結(jié)合前人井資料精細(xì)標(biāo)定了目標(biāo)泥頁巖和碳酸鹽巖地層分界面，即五峰組底界、奧陶系底界和寒武系底界，斷裂系統(tǒng)解釋合理，不同性質(zhì)的斷層均有較合理的區(qū)域構(gòu)造模式，深化了對該區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識，取得了比較滿意的效果。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域頁巖氣評價相關(guān)資料，布置了WHD1井，為力爭取得皖江地區(qū)下志留統(tǒng)頁巖氣重要發(fā)現(xiàn)提供了有力支撐。